Bussysteme

CarRing II auf der Überholspur

21.02.2007 | Autor / Redakteur: Dipl.-Inf. Marcel Wille* / Thomas Kuther

Für die Kommunikation im Kfz sind Feldbusse wie FlexRay weit verbreitet, aber in Sachen Geschwindigkeit und Echtzeitfähigkeit keineswegs optimal. Gefragt sind neue Ansätze wie CarRing II, das mit seiner flexiblen Ringtopologie Daten mit bis zu 1 Gbit/s ins Rennen schickt.

Innovationen im Auto sind heutzutage vor allem im Bereich Mechatronik zu finden. Dieser Bereich beinhaltet das Zusammenspiel und die Vernetzung mechanischer und elektronischer Systeme wie Steuergeräte, Sensoren, Elektromotoren oder andere Aktoren. Bereits heute enthalten Oberklassewagen mehr als 80 Steuergeräte, die mit einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren vernetzt sind. Ihr Einsatz hat in den vergangenen Jahrzehnten zahlreiche Fahrerassistenzsysteme wie ABS oder ESP hervorgebracht und damit Sicherheit und Fahrkomfort im Auto entscheidend verbessert. Entwicklungen mechatronischer Systeme sind demnach immmer auch mit Elektronik und Software verbunden. Die Elektronik sorgt zwar für mehr Komfort und Sicherheit, ist aber auch für viele Pannen und Ausfälle verantwortlich.

Während die Zahl mechatronischer Systeme und die Kommunikationsanforderungen ständig gestiegen sind – und mit zukünftigen „x-by-wire“ Funktionen weiter steigen werden –, ist die Technologie zur Kopplung der Systeme bei konventionellen Feldbussen stehen geblieben. Fehlende Funktionalität wird meist von der Anwendungssoftware nachgebildet, mit dem Ergebnis, dass ein Großteil der Arbeit in den Händen der Anwendungsprogrammierer liegt. Das ist nur eine Ursache für Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprobleme der Automobilindustrie. Eine weitere liegt im Einsatz vieler unterschiedlicher Netzwerke und Software zur Verbindung mechatronischer Systeme.

Fehlender Standard

Einen einheitlichen Standard gibt es bisher nicht. Ferner kann mit einem Feldbus nur eine wenige Komponenten vernetzt werden, was die Skalierbarkeit und Flexibilität einschränkt. All diese Probleme haben negative Auswirkungen auf den Automobilsektor, da sie zusätzliche Kosten verursachen und zukunftsweisende Entwicklungen behindern.

Nicht zuletzt aus diesen Gründen befasst sich die Abteilung „Technische Informatik und Rechnersysteme“ der TU Clausthal seit 2004 mit der Entwicklung eines neuen und zukunftweisenden Verbindungsnetzwerks für Autos. Aus den Ergebnissen der bisherigen Forschung ist das Verbindungsnetzwerk CarRing II hervorgegangen. Dabei handelt es sich um ein hochzuverlässiges, echtzeitfähiges Kommunikationsnetzwerk, das für den Einsatz bei sicherheitskritischen Anwendungen und zukünftigen „x-by-wire“ Funktionen entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Feldbussen, stellt CarRing II eine Vielzahl von Funktionalitäten auf allen Schichten des OSI-7-Schichtenmodells bereit. Eine Analyse vorhandener Computernetzwerke, wie beispielsweise Ethernet oder FireWire ergab, dass diese aufgrund fehlender Echtzeitfähigkeit, zu hoher Komplexität oder zu hohen Kosten nicht für den Einsatz im Auto in Frage kommen.

In heutigen Autos dominieren 4 verschiedene Feldbussysteme die Vernetzungstechnik. Dabei handelt es sich um CAN, LIN, MOST und FlexRay.

FlexRay – ein erster Schritt in die richtige Richtung

FlexRay ist ein serielles, deterministisches, zuverlässiges und fehlertolerantes Feldbussystem, das speziell für den Einsatz im Auto entwickelt wurde. Die Entwicklung von FlexRay erfolgt seit dem Jahr 2000 im Rahmen des FlexRay-Konsortiums, zu dessen Mitgliedern unter anderem DaimlerChrysler und BMW gehören. Nach mehrjähriger Erprobung kommt FlexRay seit Ende dieses Jahres im BMW X5 weltweit erstmals zum Serieneinsatz. FlexRay stellt Datenraten bis 10 Mbit/s zur Verfügung. Über einen einzelnen Bus können bis zu 64 Kommunikationsknoten miteinander verbunden werden. Da es sich um einen herkömmlichen Feldbus handelt, sind nur die Schichten 1 und 2 im OSI-7-Schichtenmodell definiert.

Vielfältige Designmöglichkeiten erlauben Bustopologien ebenso wie Sterntopologien und Kombinationen aus beiden. Die Netzwerkknoten bei FlexRay werden als elektronische Steuereinheiten (ECUs) bezeichnet. Sie erzeugen und verarbeiten Daten. Jede ECU ist an bis zu zwei Kommunikationskanäle angeschlossen, die unabhängig voneinander angesprochen werden können und unter Umständen sogar verschiedene Topologien aufweisen. Es gibt zwei Anwendungsmöglichkeiten für die Kanäle. Zunächst können auf beiden Kanälen verschiedene Datenblöcke gesendet werden, womit sich die Bandbreite steigern lässt. Zum zweiten kann ein Datenblock zeitgleich auf beiden Kanälen übertragen werden, um durch die Redundanz eine zusätzliche Ausfallsicherheit zu erreichen.

Synchrone und asynchrone Datentransfers

FlexRay unterstützt synchrone Datentransfers im statischen und asynchrone im dynamischen Teil. Synchrone Übertragungen garantieren maximale Verzögerungszeiten bei Echtzeit-Anwendungen. Für den Medienzugang im statischen Teil wird TDMA verwendet. Hierbei erhält jeder Knoten ein statisches Zeitintervall (Zeitschlitz), in dem er das exklusive Nutzungsrecht für den Bus hat und Daten senden kann. Hat ein Knoten keine Daten zu senden, bleibt sein Zeitschlitz und damit das Medium ungenutzt. Andere Knoten können diese ungenutzten Zeitschlitze nicht verwenden, was einer der Nachteile von FlexRay ist.

Das Medienzugangsverfahren im dynamischen Segment wird mit Flexible TDMA bezeichnet. Bei FTDMA wird die Echtzeit zugunsten einer verbesserten Netzwerkauslastung vernachlässigt. Die Buszuteilung erfolgt prioritätsbasiert, indem den Knoten in einer vordefinierten Reihenfolge die Nutzung des Busses erlaubt wird. Nachdem alle für FTDMA zur Verfügung gestellten Zeitschlitze verbraucht sind, wird den verbliebenen Knoten kein Buszugriff mehr gewährt. Folglich haben Knoten mit geringer Priorität unter Umständen keine Möglichkeit Daten zu senden. Deshalb kann bei FTDMA keine maximale Verzögerungszeit der Daten garantiert werden. Es ist somit ungeeignet für Echtzeit-Anwendungen.

Die Anforderungen an FlexRay sind mit denen von CarRing II vergleichbar. Allerdings steht CarRing II weniger in Konkurrenz zu FlexRay, sondern könnte vielmehr ein potentieller Nachfolger werden. Sicherlich war und ist FlexRay ein erster Schritt in Richtung zuverlässige und echtzeitfähige Kommunikation im Auto, aber auf Dauer wird auch FlexRay den ständig steigenden Anforderungen nicht genügen.

CarRing II – Highlights eines neuen Ansatzes

Bei der Entwicklung von CarRing II werden mehrere Ziele verfolgt: Es sollen die Probleme von Feldbussen wie begrenzte Skalierbarkeit und eingeschränkte Zuverlässigkeit gelöst werden, ein unabhängiges Format den Datenaustausch zwischen Systemen verschiedener Hersteller ermöglichen und CarRing II soll eine einheitliche Lösung für ein Kommunikationsnetzwerk im Auto zur Verfügung zu stellen, das die Anforderungen, insbesondere von Echtzeit-Anwendungen, aller zukünftigen Innovationen im Auto erfüllen kann. Im Vergleich zu Feldbussen vollzieht CarRing II einen Paradigmenwechsel bei der systemweiten Kommunikation im Auto, indem jetzt ein Echtzeit-Computernetzwerk mit allen notwendigen Funktionen zur Verfügung gestellt wird. Die Entwicklung orientiert sich dabei eng am OSI-7-Schichtenmodell.

CarRing II ist ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk mit Datenraten von 200 Mbit/s bis 1 Gbit/s. Die hohen Datenraten sowie Echtzeitfähigkeit, Skalierbarkeit und Effizienz erreicht CarRing II dank seiner Ringtopologie und effizienter Protokolle. Als Übertragungsmedien sind sowohl optische Plastikfasern (POF) als auch kupferbasierte Leitungen vorgesehen. Besonders Plastikfasern sind sehr flexibel, bei annährend gleichen Kosten leichter als Kupferkabel, einfach in der Handhabung und absolut unempfindlich gegenüber elektrischen und magnetischen Störungen.

Knoten und Attachments

Grundsätzlich unterscheidet man bei CarRing II zwischen Knoten und Attachments, wobei bis zu 16 Attachments an einen einzigen Knoten angeschlossen werden können. Die Knoten sind elektronische Chips, die das für CarRing II entwickelte Protokoll umsetzen. Attachments können Sensoren, Aktoren, Steuergeräte, parallele und serielle Schnittstellen sowie komplette Subsysteme, wie z.B. ein CAN-Bus, sein.

Basisstruktur ist ein unidirektionaler Ring mit bis zu 16 Knoten. Maximal 255 Ringe können über entsprechende Switchknoten miteinander verbunden werden. Insgesamt lassen sich bei CarRing II demnach 4096 vollwertige Kommunikationsknoten mit je 16 Attachments realisieren. Da jeder Knoten als Sender und Empfänger arbeitet, ist eine Vollduplex-Kommunikation über den unidirektionalen Ring möglich.

Knotenstruktur spart Kosten

Ein Knoten im CarRing II-Netzwerk verfügt über Schnittstellen zum Ring und zu den Attachments. Die Schnittstellen zum Ring (link input, link output) erlauben eine Verbindung mit den beiden benachbarten Knoten. Jeder Knoten verfügt weiterhin über getrennte Sende- und Empfangspuffer mit je 2 Speicherklassen - Request und Response - um mögliche Blockierungen (Deadlocks) zu vermeiden. Eine weitere Aufteilung der Speicherklassen erhält man durch Prioritäten. Der Sendepuffer (Send FIFO) beinhaltet die Daten von den Attachments. Der Retry FIFO ist ein spezieller Sendepuffer, in dem bereits gesendete Daten für den Fall einer Paketwiederholung gespeichert werden. Im Empfangspuffer (Receive FIFO) werden Daten bis zur Weitergabe an die Attachments gespeichert. Ein zusätzlicher Empfangspuffer (Overflow Receive FIFO) kann von Daten mit hoher Priorität genutzt werden, falls der reguläre Empfangspuffer bereits voll ist. Mit dieser Technik lassen sich kurzzeitig erhöhte Datenaufkommen bewältigen, ohne Pakete verwerfen zu müssen. Über den Eingangs-FIFO und eine daran angeschlossene Auswertungslogik werden die Informationen des Datenpakets in seinem Header in Echtzeit gelesen und ausgewertet. Darauf aufbauend werden Steuersignale für den Eingangsselektor generiert und Verarbeitungsentscheidungen getroffen.

Der Eingangsselektor modifiziert zu sendende Pakete, leitet Pakete im Ring weiter, startet die Erzeugung von kurzen Bestätigungspaketen (Echos) und entfernt eintreffende Bestätigungen vom Ring. Ein variabler Ringpuffer speichert ggf. Datenpakete solange bis der Knoten eine Bestätigung gesendet hat. Aufgabe des Ausgangsselektors ist es, Daten auf den Ring zu geben und Bestätigungen in den Datenstrom einzufügen. Die so genannte Bypass Unit beinhaltet eine redundante Backup-Lösung, falls der Hauptknoten nicht korrekt arbeitet oder ganz und gar ausfällt. Bei einem Totalausfall werden eintreffende Daten automatisch über den Bypass FIFO weitergeleitet. Sollte der Hauptknoten nicht korrekt funktionieren, wird der Betrieb auf den Backup-Knoten (Shadow Node) umgestellt.

Hohe Zuverlässigkeit

Eine Vielzahl von Maßnahmen sorgt für die hohe Zuverlässigkeit von CarRing II. Auf der Schicht 1 des OSI-7-Schichtenmodells ist die Verwendung von Plastikfasern vorgesehen, die unempfindlich gegenüber jeglicher Art Störung sind und auch unter hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten. Außerdem wird die 8B/10B-Codierung verwendet, wo durch zusätzliche Codewörter frühzeitig Übertragungsfehler ohne CRC-Prüfsummen erkannt und teilweise korrigiert werden. Zusätzliche Redundanz kann durch das Netzwerkdesign erreicht werden, indem ein System aus Doppelringen, vergleichbar mit den beiden Kanälen bei FlexRay, verwendet wird.

Der Knoten selbst verfügt über umfangreiche redundante HW-Komponenten, wie beispielsweise einen kompletten Backup-Knoten, der sich auf demselben Chip oder auf einem separaten zweiten Chip mit eigener Stromversorgung unterbringen lässt. Ein elektronischer Bypass ermöglicht es, Datenpakete bei einem Totalausfall von Haupt- und Backup-Knoten trotzdem im Ring weiterzuleiten. Jeder Knoten verfügt weiterhin über getrennte Pufferklassen, um Blockierungen zu vermeiden. Außerdem gibt es einen zusätzlichen Overflow-Empfangspuffer, der bei Überlastung des Empfängers trotzdem Pakete höchster Priorität aufnehmen kann. Schicht 2 erhöht die Zuverlässigkeit weiter, indem jeder Übertragungsrahmen mit einer 32-bit-CRC-Prüfsumme versehen ist, die es erlaubt Übertragungsfehler zu erkennen und in einem begrenzten Maß zu beheben.

Jedes empfangene Paket muss mit einem kurzen Echo-Paket bestätigt werden. Im Fall einer negativen Bestätigung initiiert der Sender eine automatische Paketwiederholung im lokalen Ring. Aus Echtzeit-Gründen ist nicht mehr als eine Wiederholung möglich. Beim Medienzugangsverfahren spielt neben der Effizienz auch der Aspekt Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle. Das Verfahren basiert auf TDMA, implementiert aber die Zeitschlitze nicht wie üblich über einen zentralen Taktgeber, sondern durch kreisende Übertragungsrahmen (Transport Frames). Diese Art der Implementierung erlaubt es, die Funktionsfähigkeit des Rings in jedem Knoten mit Hilfe von Timern zu überwachen. Schicht 3 erhöht die Zuverlässigkeit durch adaptive Wegewahl. Dadurch ist es möglich Pakete auch auszuliefern, wenn ein Teil des Systems ausgefallen ist.

Letztlich werden auf Schicht 5 zuverlässige Ende-zu-Ende-Verbindungen zwischen den Kommunikationspartnern aufgebaut. Beim Aufbau einer Verbindung wird im Empfänger eine Authentifizierung und Autorisierung durchgeführt, um ungewollte Zugriffe zu verhindern. So kann sich ein Sender beispielsweise auf einem Speicherbereich oder bei einem Prozess des Empfängers mit bestimmten Rechten anmelden. Neben Blocktransfers besteht jetzt auch die Möglichkeit ein zuverlässiges 2-Phasen-Handshake-Protokoll aus Request- und Response-Paketen zu verwenden. Ein Response-Paket ist eine Bestätigung oder beinhaltet die Antwort auf ein vorangegangenes Request-Paket. Über Sequenznummern lassen sich Paketverluste und Duplikate erkennen sowie ggf. die Paketreihenfolge wiederherstellen.

Datenübertragung in Echtzeit

Eine der wichtigsten Eigenschaften von CarRing II ist die Kommunikation in Echtzeit. Besonders sicherheitskritische Systeme erfordern die Angabe exakter Antwortzeiten. Um das zu erreichen, wird ein effizientes Medienzugangsverfahren verwendet, das auf TDMA basiert und sicherstellt, dass jeder Kommunikationsknoten mindestens ein Datenpaket pro Kommunikationszyklus senden kann. So lässt sich eine maximale Paketzustellzeit garantieren und diverse Erweiterungen steigern die Effizienz des Verfahrens weiter. Die Transport-Frames des TDMA-Verfahrens haben kurze Nutzdatenfelder fester Länge, was die Verzögerungszeiten verkürzt und leichter bestimmbar macht.

Die sehr kurzen Bestätigungen (Echos) werden unabhängig von den Transport-Frames in den Datenstrom eingefügt, da überdimensionierte Transport-Frames zur Übertragung derart kurzer Informationen die Effizienz drastisch senken und die Verzögerungszeiten der Pakete erhöhen würden, was wiederum der Echtzeit-Anforderung widerspricht. Für die Zahl der Bestätigungen, die jeder Knoten in den Datenstrom einfügen kann, gibt es eine obere Schranke. Eine Berechung der Antwortzeiten ist also weiterhin möglich.

Innerhalb der Knoten werden die Daten schritthaltend in Echtzeit gelesen und verarbeitet. Auf der Schicht 3 (Wegewahl) des OSI-7-Schichtenmodells werden vor dem eigentlichen Datentransfer virtuelle Verbindungen zwischen Sender und Empfänger aufgebaut. So werden alle Pakete auf demselben Weg übertragen, der nur im Fehlerfall verlassen werden darf. Dieser Fakt spricht ebenfalls für stabile Verzögerungszeiten.

Gut skalierbar dank Ringsystem

Bis zu 255 Ringe, die über Switch-Knoten miteinander verbunden werden können und verschiedene Anforderungen erfüllen, erhöhen die Sicherheit und ermöglichen gute Skalierbarkeit sowie ein gutes Design. Das Netzwerk eines Kleinwagens kann beispielsweise mit dem eines Autos der Oberklasse kompatibel sein, indem es eine Teilmenge des Netzwerks im Oberklassewagen bildet.

Mit 255 Ringen und bis zu 16 Knoten je Ring lassen sich bei CarRing II 4096 vollwertige Kommunikationsknoten mit wiederum je 16 Attachments realisieren. Zudem kann die Länge der Nutzdatenfelder so skaliert werden, dass sie den Anforderungen eines Ringes entspricht.

Effizienter Medienzugang

CarRing II verwendet eine erweiterte Variante von TDMA, bei der die Zeitschlitze als leere Übertragungsrahmen (Transport-Frames) implementiert sind. In Kombination mit dem Einfügen kurzer Bestätigungen (Echos) durch Register Insertion (RI) wird das neue Medienzugangsverfahren als TA2I (Time Slot Access with Acknowledge Insertion) bezeichnet. Für die synchrone Datenübertragung besitzt jeder Knoten im Ring seinen eigenen Transport-Frame, in dem er einmal pro TDMA-Zyklus Daten senden kann. Der Knoten erkennt seinen Transport Frame anhand einer ID.

Variable Ringpuffer

Beim Senden von Daten konvertiert der Knoten seinen Transport-Frame in einen Datenrahmen. Nachdem der Empfänger den Inhalt des Datenrahmens gelesen hat, konvertiert er ihn in einen Transport-Frame zurück. Acknowledge-Insertion erhöht die effektive Nutzung der Ringbandbreite, indem es zur Übertragung kurzer Echos verwendet wird. Solche Echos enthalten nur Informationen zur Flusssteuerung und, ob die Daten korrekt beim Empfänger angekommen sind. Um nicht große Transport Frames zur Übertragung dieser kurzen Information verwenden zu müssen, kann jeder Knoten den Ring temporär erweitern und dabei ein Echo in den Datenstrom einfügen. Dazu verfügt jeder Knoten über einen Ringpuffer variabler Länge. Beim Erweitern des Rings wird der Datenstrom innerhalb des Puffers so lange verzögert, bis ein Echo eingefügt wurde. Die Größe des Ringpuffers ist von der Anzahl der Knoten im Ring abhängig. Ein Knoten muss genau so viele Echos einfügen können, wie es Knoten im Ring gibt. Echos werden nach einer Ringumrundung vom Sender wieder entfernt.

Einen gravierenden Nachteil hat das hier vorgestellte Medienzugangsverfahren dennoch. Wenn ein Knoten keine Daten senden will, bleibt sein Transport Frame ungenutzt. Es ist auch keinem anderen Knoten gestattet diesen Transport Frame zu nutzen. Mit anderen Worten, die Bandbreite geht verloren und kann nicht effizient genutzt werden. FlexRay versucht dieses Problem zu lösen, indem ein dynamisches Segment eingeführt wurde, in welchem der Medienzugang in Abhängigkeit der tatsächlichen Bedürfnisse eines Knotens gewährt wird. CarRing II umgeht diese Schwierigkeit durch Erweiterungen von TA2I. Die Erweiterungen, bestehend aus ETA2I, OTA2I und ihrer Kombination EOTA2I, sind abwärtskompatibel zu TA2I und können parallel dazu eingesetzt werden.

Ungenutzte Frames verwenden

ETA2I erlaubt in besonderen Fällen eine Wiederverwendung ungenutzter Transport-Frames, d.h. wenn ein Knoten keine Daten senden will, kann sein Transport-Frame unter Umständen von den nachfolgenden Knoten im Ring genutzt werden. Die Voraussetzungen für den Einsatz von ETA2I lassen sich anhand eines Beispiels erläutern. Angenommen, ein beliebiger Knoten k besitzt einen Transport-Frame mit der ID k. Nun kann der leere Transport Frame k für eine Datenübertragung zwischen zwei weiteren Knoten i und j eingesetzt werden, sofern Knoten k von dieser Übertragung nicht beeinträchtigt wird. Der Vorteil effizienterer Bandbreitenutzung lässt sich aber nur so lange aufrechterhalten, wie die Voraussetzungen für derartige Übertragungen tatsächlich erfüllt sind. Existiert kein „i-zu-j Transfer“, geht weiterhin Bandbreite verloren. Genau an dieser Stelle greift die zweite Erweiterung. Bei OTA2I ist es den Knoten nun auch gestattet, ihre eigenen Transport-Frames für die Verwendung durch andere Knoten freizugeben. Die Freigabe kann nur durch den Eigentümer des Transport-Frames erfolgen, wenn dessen Sendepuffer leer ist. Ohne weitere Voraussetzungen können dann alle Knoten im Ring diesen Frame für einen Datentransfer nutzen. Der Eigentümer hebt die Freigabe wieder auf, sobald sich Daten in seinem Sendepuffer befinden. Damit signalisiert er den anderen Knoten, dass dieser Frame im nächsten TDMA-Zyklus ausschließlich von ihm verwendet werden darf. Damit bleibt auch hier die Echtzeit erhalten. Ungenutzte Transport-Frames können jetzt mehrfach innerhalb eines TDMA-Zyklus verwendet werden. Es ist sogar denkbar, dass ein einzelner Sender die gesamte Bandbreite für sich beansprucht. Der Ring lässt sich so über feine Zwischenschritte vom komplett synchronen Modus bis hin zum ausschließlich asynchronen Modus betreiben.

Effiziente und zuverlässige Kommunikation

Bei CarRing II werden die Daten in Form von Nachrichten übertragen, es gibt keine Paketverluste und die Reihenfolge der Daten kann garantiert werden. Ferner unterstützt das Protokoll Multicast und Broadcast sowie die Segmentierung sehr langer Nachrichten.

Grundsätzlich wird auf Schicht 5 eine Verbindung zwischen den Attachments von Sender und Empfänger aufgebaut. Innerhalb einer Verbindung werden sowohl Speicherzugriffe als auch Prozesskommunikation unterstützt. Zwischen 2 Knoten können bis zu 16 Verbindungen parallel und unabhängig voneinander arbeiten. Bei der Kommunikation innerhalb einer einzelnen Verbindung wiederum werden die Daten sequentiell, unter Einhaltung ihrer logischen Reihenfolge übertragen. Vorteil der parallelen Verbindungen ist die effiziente Nutzung der Bandbreite. Es entsteht kein Verlust, während der Knoten auf ein Paket wartet, weil sich die Verbindungen den Ring in einer Art Zeitmultiplex teilen.

Zusätzlich werden beim Verbindungsaufbau die Zugriffsrechte der Knoten für einen bestimmten Speicherbereich bzw. Prozess überprüft, um beispielsweise ungewollte Schreibzugriffe zu verhindern. Neben der Möglichkeit eines Blocktransfers, wird auch ein zuverlässiges 2-Phasen-Handshake-Protokoll unterstützt, bei dem jede Kommunikation zeitlich in zwei Phasen (Request und Response) unterteilt ist. In der Responsephase wird eine Bestätigung bzw. die Antwort auf ein vorangegangenes Request-Paket übermittelt.

Simulationsergebnisse

Die Bilder 3 und 4 in der Bildergalerie zeigen einen Performanzvergleich von CarRing II und FlexRay unter normalen Bedingungen und in Überlastsituationen. Die Vergleiche beschränken sich auf Durchsatz und Latenz. Zur Simulation von FlexRay wurde eine an der TU Clausthal entwickelte Software auf Basis des NS-2 Simulators und einer Spezifikation von FlexRay in der Version 2.0 verwendet. Die Auswertung bei CarRing II basiert auf den Ergebnissen der speziell für ringbasierte Netze entworfenen Simulationssoftware „RingSim“.

Bei einer Laufzeit von 32 ms, wobei das System nach 8 ms einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat, sollen jeweils Pakete mit 64 Bytes Nutzdaten übertragen werden. Insgesamt stehen 6 Knoten zur Verfügung, die bei FlexRay über einen herkömmlichen Bus und bei CarRing II über einen Ring verbunden sind. Zum besseren Vergleich mit FlexRay wird CarRing II nicht wie vorgesehen mit mindestens 200 Mbit/s sondern lediglich mit 10 Mbit/s betrieben, was sich erheblich auf die Latenzzeiten auswirkt. Die Datenraten der Sender werden schrittweise von 0 auf 10 Mbit/s erhöht. Carring II verwendet das Medienzugangsverfahren EOTA2I.

Bei den beiden Diagrammen in Bild 3 arbeitet nur einer der 6 Knoten als Sender und einer als Empfänger. Die restlichen Knoten sind inaktiv. Das linke Diagramm zeigt die zusammengefasste Bruttodatenrate (Nutzdaten mit Header) aller Sender in Mbit/s im Vergleich zu den Nutzdaten, die tatsächlich bei den Empfängern angekommen sind (Netto-Empfangsrate). Geringe Divergenzen bei der Steigung der Kurven sind darauf zurückzuführen, dass CarRing II bei gleicher Nutzlast einen größeren Header übertragen muss.

Im rechten Diagramm sind die minimalen und maximalen Latenzen dargestellt. Bemerkenswert ist der geringe Unterschied zwischen minimaler und maximaler Latenz bei CarRing II (im Diagramm grau schraffiert). Die Diagramme in Bild 4 zeigen eine Simulation mit 3 Sendern und 3 Empfängern.

Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass CarRing II eine wesentlich effektivere Nutzung der Bandbreite aufweist, wohingegen die Latenzzeiten bei FlexRay mit zunehmender Senderzahl besser werden, was letztendlich an der geringeren Geschwindigkeit von CarRing II und dem zusätzlichen Aufwand für das 2-Phasen-Handshake-Protokoll liegt. Beide gewährleisten dennoch ein stabiles Verhalten in Überlastsituationen.

Es gibt noch viel zu tun

Simulationen haben gezeigt, dass CarRing II zuverlässig und selbst in Überlastsituation stabil ist sowie deutlich leistungsfähiger als FlexRay. In den nächsten Schritten werden die verbleibenden Protokolle entwickelt, Netzwerkschichten modelliert und implementiert sowie das Netzwerk letztendlich in einen bereits im Aufbau befindlichen Prototyp integriert.

Glossar

  • x-by-wire:Im Auto der Zukunft werden bisher elementare mechanische Funktionen, wie z.B. Bremsen oder Lenken nach und nach durch mechatronische Lösungen, sog. „x-by-wire“ Funktionen, ersetzt. Beispiele hierfür sind das elektronische Lenkrad (steer-by-wire) oder die elektronische Bremse (brake-by-wire). Die Ideen reichen bis hin zum Fahren mit Autopilot. Damit verbunden sind aber auch der Einsatz weiterer Steuergeräte und zusätzliche Kommunikationsanforderungen.
  • CAN (Controller Area Network): ist ein asynchrones, serielles Bussystem, das von der Firma Bosch entwickelt wurde. CAN unterstützt Datenraten bis 1 Mbit/s und Prioritäten. Für den Medienzugang wird CSMA/CD eingesetzt. Falls eine Kollision auf dem Bus entdeckt wurde, kann die Übertragung des Rahmens höherer Priorität durch Bit-Arbitrierung fortgesetzt werden. Die Übertragung des anderen Datenrahmens wird abgebrochen und erst wiederholt, wenn der Bus frei ist.
  • LIN (Local Interconnect Network): ist ein kostengünstiger Feldbus für einfache Anwendungen, wie z.B. Fensterheber. LIN erlaubt eine kollisionsfreie Übertragung mit Datenraten bis 20 kBit/s. Dazu bestimmt der Busmaster welcher der anderen Knoten am Bus senden darf.
  • MOST (Media Oriented System Transport): ist speziell für die Übertragung von Multimediadaten im Auto entwickelt worden. Mit Datenraten von 24,8 Mbit/s lassen sich unkomprimierte Audio- und Videostreams in Form von Blöcken übertragen. Ein Block beinhaltet dabei 16 Frames mit je 64 Byte Nutzdaten. Bei Most sind neben Schicht 1 und 2 auch weitere Schichten definiert.
  • TDMA (Time Division Multiple Access): Bei TDMA handelt es sich um ein Zeitmultiplexverfahren, bei dem in bestimmten Zeitabschnitten (Zeitschlitzen) die Daten verschiedener Sender auf einem gemeinsamen Medium übertragen werden. Dabei unterscheidet man zwischen dem synchronen Verfahren mit einer festen Zuteilung von Zeitschlitzen für jeden Knoten und dem asynchronen Verfahren mit einer bedarfsgerechten Zuteilung von Zeitschlitzen.
  • 8B/10B-Codierung: Hierbei handelt es sich um einen Leitungscode. Dabei werden 8 Bit Daten mit 10 Bit kodiert. Damit wird verhindert, dass sich lange Folgen von Nullen oder Einsen bilden (Gleichspannungsausgleich). Für die Synchronisation ist eine leichte Taktrückgewinnung aus dem Datensignal möglich. Die Steigerung der Taktrate rechtfertigt die zusätzlich investierten Bits. Zudem können zahlreiche Übertragungsfehler auf Hardware-ebene erkannt und korrigiert werden.
  • TA²I: „Time Slot Access with Acknowledge Insertion“ ist eine Kombination aus einer Variante des Time Division Multiple Access (TDMA) Verfahrens und Register Insertion (RI). Hierbei werden die Zeitschlitze nicht wie üblich über einen globalen Takt generiert, sondern durch leere, kreisende Transportrahmen (Transport Frames) implementiert. Jeder Knoten besitzt seinen eigenen Transport Frame. Mit Register Insertion werden kurze Bestätigungen (Echos) übertragen, um die effektive Nutzung der Ringbandbreite zu erhöhen. Dazu kann ein Knoten den Ring temporär erweitern, indem er die Länge einer seiner Ringpuffer variiert.

TU Clausthal, Tel. +49(0)5323 727171

*Dipl.-Inf. Marcel Wille ist Mitarbeiter am Institut für Informatik der TU Clausthal

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